谷物揮發物對儲糧害蟲行為的影響及其應用研究進展

曾姝靜，呂建華，霍鳴飛，張育濮，王鵬杰

(河南工業大學 糧油食品學院糧食儲藏與安全教育部工程研究中心，河南 鄭州 450001)

谷物是人類賴以生存的生活必需品。其營養物質豐富，儲藏期間極易遭受儲糧害蟲為害[1]。蟲害不僅會導致谷物營養價值降低，而且其代謝物會造成谷物污染，影響儲糧品質。目前，使用化學熏蒸劑殺蟲是谷物害蟲防治最有效的方法[2]。但隨著社會的發展和人們環保意識的加強，其弊端日益突出。已有研究表明，谷物揮發性化合物對昆蟲的行為有顯著影響[3]。利用谷物揮發物對儲糧害蟲的行為調控是一種環境友好的害蟲防治方法，也是目前世界害蟲防治領域的一個研究熱點。結合我國谷物害蟲防治情況，對目前谷物揮發物的研究和利用狀況、谷物揮發物對害蟲行為的影響、植食性昆蟲學習行為對害蟲行為的影響、谷物揮發物與儲糧害蟲防治的關系等進行綜述，以期對今后谷物害蟲生態防治研究與應用有所借鑒。

1 谷物揮發物研究現狀

谷物是全世界最重要的食物，不僅可以作為主食，而且是許多食品的加工原料[4]。目前谷物研究大多集中在營養價值及安全儲藏方面，對于日常主食研究較多，而其他雜糧則較少；對于谷物揮發物的提取、鑒定與分析的技術已較為成熟，但谷物揮發物的實際應用情況尚不樂觀。國內外對于谷物揮發物的相關研究主要關注谷物揮發物的鑒定、各種儲藏條件對其揮發物含量的影響、以及同一種谷物不同品種的揮發物成分組成和含量的差別等，對于谷物揮發物與害蟲防治相結合的研究較少。利用谷物揮發物中某些成分物質來判定谷物的品質狀態是谷物安全儲藏的一大趨勢。已有研究表明，谷物中的揮發物質可作為評定谷物品質的劣變指標。國外關于稻谷、小麥和玉米揮發物的研究較多，且已把揮發物作為稻谷儲藏品質檢測的重要指標之一。Michael等[5]利用GC-MS分析大米和玉米產品揮發物，確定谷物揮發物是鑒定谷物品質的一種快速且精確的方法。Kaminski等[6]對小麥和玉米中揮發物的測定進行了研究，發現糧食儲藏過程中快速鑒定糧食腐敗的方法是檢測羰基化合物的含量。國內凌家煜等[7]對谷物中揮發性物質的檢測及其與谷物儲存品質的關系進行了初步的探索，周顯青[8]對稻谷的揮發物與新陳度的關系做了較深入的探討。

1.1 谷物揮發物的主要類別

谷物涵蓋的范圍較廣，包括稻谷、小麥、玉米等以及其它禾本科糧食作物。谷物揮發物即糧食在常溫下所散發的特有揮發性物質，它是組成糧食各種氣味的重要成分。

1.1.1 稻谷揮發物

大米由稻谷加工而成，是我國主食之一，煮熟后其特殊的香味深受人們的喜愛。米飯特殊的香味是由大米揮發成分混合而成。影響大米揮發物各種成分及含量的因素也較為復雜，通常與大米的品種、儲藏時間、碾米精度等都有密切的關系[9]。隨著現代檢測儀器和技術的不斷進步和應用，對于谷物揮發性物質的研究已取得較大進展，其中關于稻谷揮發物的研究最為顯著。林家永等[10]利用固相微萃取—氣質聯用的方法分別測定4種不同水稻的揮發物成分，發現不同品種的稻谷揮發性成分組成及含量差異均較大。稻谷主要揮發物有醛類、酮類、醇類、烴類等多種成分，且不同的儲藏條件下其揮發性物質還有相應的變化[11]。稻米中的揮發物成分可作為判斷糧食質量的依據。Yang等[12]分別測定了6種不同稻米的揮發性物質，發現最大的區別是2-乙酰-1-吡咯啉的含量。Bryant等[13]通過進一步研究把其作為分辨市售香米真偽的依據。目前日本已將揮發性物質的檢測應用于米飯品質優劣的評價。稻谷揮發物還可以分辨稻谷的新陳度。周顯青等[8]研究發現新稻揮發性物質主要是低極性、低沸點的揮發性物質，陳稻揮發性物質主要是極性較強、高沸點的揮發性物質。

1.1.2 玉米揮發物

玉米是我國三大糧食品種之一，是重要的糧食作物和飼料作物，也是我國主要的儲備糧食種類。玉米籽粒的結構特殊，胚芽較大且營養豐富，不僅導致其呼吸強度大，劣變速率快，而且易遭受蟲害。研究表明玉米揮發性物質的種類和含量與儲藏時間等有相關性，不同儲藏時間的玉米揮發性物質種類基本相同，只是在含量上存在差異[14]。崔麗靜等[15]進一步研究不同品種的玉米揮發物，確定玉米中的揮發性成分有醇類、醛類、酮類、酯類、烴類、有機酸類以及雜環類等化合物，但是不同品種的揮發物成分組成和含量差異較大。馬良和王若蘭[16]研究玉米儲藏期間揮發物的變化情況，發現在玉米儲藏過程中醛類和酯類物質相對含量較高，是玉米主要揮發物質，而烴類和醇類風味閾值較高，但不是玉米儲藏期間揮發物主要成分。

1.1.3 小麥揮發物

小麥和稻谷、玉米稱為世界三大糧食作物。其中小麥的種植面積最大、分布范圍最廣，全世界約有40%的人口以小麥為主食[17]。早在1959年，McWilliams和Mackey[18]通過蒸餾小麥發現18種小麥揮發物。Hougen等[19]分析5種不同品種的小麥揮發物成分，結果發現5種小麥揮發物成分都不相同。張玉榮等[20]研究發現小麥主要揮發性成分有烴類、醛類，其次為醇類、酮類，儲藏6個月后揮發性成分總含量均呈現先降后增的趨勢。

1.1.4 其他谷物揮發物

其他谷物沒有稻谷、玉米、小麥種植面積廣，日常生活中使用較少。燕麥因為營養價值全面，膳食纖維豐富，受到國內外研究人員的重視。Klensporf和Jelen[21]研究熱處理對燕麥口味的影響，發現對燕麥片起主要作用的香味化合物是2-3-甲基-3-呋喃硫醇。孫培培等[22]也研究了燕麥片的揮發性成分，共鑒定出72種揮發性成分。劉敬科等[23]利用不同的萃取頭對小米粥揮發物成分進行提取和鑒定，發現小米粥的揮發性成分主要為醛、醇、碳氫化合物和酮等物質。Yang等[24]提取了煮熟黑米的揮發性成分共35種，確定2-乙酰基-1-吡咯啉為最重要氣味物質。Wang等[25]從大麥炒制期間及粉碎的炒大麥鑒定出共同的揮發性物質主要有糠醛、2-甲基丁醛、2-甲基丙醛、3-甲基丁醛、2,3-戊二酮、丙酮醛等，除去其中的羰基化合物大麥就失去原有的香味。因此，羰基化合物在炒大麥香味中起重要作用。

1.2 谷物揮發物提取方法

樣品制備方法(提取方法)對測定谷物揮發物非常重要，目前較為常用的方法有以下幾種。

1.2.1 頂空取樣技術

頂空采樣技術(Head space technique)，將一定量的固(液)樣品置于有一定頂端空間的容器中，在一定的溫度、高壓、時間等條件下收集氣體的方法。該技術包括靜態頂空(Static headspace sampling,SHS)和動態頂空(Dynamic headspace sampling,DHS)。靜態法是用取樣器直接吸取容器頂空中的氣體作為樣品的方法。它具有簡單易行、不受人為因素和揮發性成分干擾的特點，但分析組分復雜且含量低的樣品時，仍受到一定的限制。動態法是采用吹出-吸附裝置，通氣將揮發性組分吹出并捕集在吸附材料里，然后快速升溫將所捕集到的揮發性組分轉移至干冰冷卻的玻璃毛細管冷阱中，隨后再將冷凝的液樣注入氣相色譜儀進行分析。Yang等[24]利用動態頂空取樣技術提取到黑米中35種揮發性物質。

1.2.2 同時蒸餾萃取技術

同時蒸餾萃取(Simultaneous distillation extraction，SDE)是從樣品中蒸餾出揮發性物質，再使用低沸點溶劑萃取蒸餾液的一種方法[26]。其優點是成本低、設備簡單、操作方便，可重復利用，且具備較高的萃取量，定性定量效果好；缺點是對蒸汽壓低的組分提取效率不敏感，有機溶劑易污染提取物。孫培培等[22]采用同時蒸餾萃取(SDE)結合氣質聯用(GC-MS)對燕麥片中的揮發性成分進行定性研究，共鑒定出72種揮發性成分。稻谷揮發物提取應用同時蒸餾萃取技術較多。Widjaja等[27]利用SDE技術研究比較非香米和香米的揮發物成分。Jezussek等[28]通過SDE技術提取3個品種的糙米揮發物，發現了對糙米香味有重要貢獻的組分。

1.2.3 固相微萃取技術

固相微萃取(Solid-phase microextraction，SPME)技術由于成本低、適用范圍廣、無需有機溶劑、操作方便而被大力推廣應用，是目前使用最多的一種萃取技術。它集采樣、萃取、濃縮以及進樣于一體，與氣相或液相色譜儀聯用，可有效分析樣品中痕量有機物[29]。林家永等[10]采用頂空固相微萃取分析稻谷的揮發性成分；張玉榮等[20]應用固相微萃取技術對不同儲藏時間弱(強)筋小麥中的揮發性物質進行了提取、鑒定與分析；崔麗靜等[15]優化了萃取的條件，對不同玉米中揮發性成分進行了鑒定和分類。

2 谷物揮發物對害蟲行為的影響

谷物揮發性化合物對昆蟲的行為有重要影響。應用谷物揮發物可作為引誘劑、驅避劑、拒食劑和產卵抑制劑調控昆蟲行為的特性來防治害蟲。研究表明，使用“陷阱”結合信息化學物質可切實有效地控制害蟲[30-31]。與可以看到的危險信號相比，在距離較遠和天敵隱藏的情況下化學信號更可靠[32]，因為化學信號可讓昆蟲從周圍環境中獲取重要的信息[33]。

李興奎等[34]研究表明，不同品種的碎小麥提取物對玉米象、鋸谷盜、赤擬谷盜、銹赤扁谷盜都有不同程度的引誘作用。Xie等[35]鑒定出小麥植株揮發物中有4種成分：甲基水楊酸、順-3-己烯乙酸酯、己烯醇、1-己醇對麥長管蚜及其天敵食蚜蠅、異色瓢蟲的行為有影響。甲基水楊酸只對異色瓢蟲有引誘作用，而順-3-己烯乙酸酯、己烯醇混合物對麥長管蚜、異色瓢蟲都有引誘作用。順-3-己烯乙酸酯對麥長管蚜有很強的吸引作用，而1-己醇對麥長管蚜的吸引力比對其天敵的更強。

3 植食性昆蟲學習行為對儲糧害蟲行為的影響

學習行為是指昆蟲受經歷的影響而發生的比較長期、可逆的行為變化[36-40]，是后天獲得的行為。因學習而導致的行為變化在植食性昆蟲中是一種普遍現象，其對寄主搜索、接受、取食等行為有顯著影響。如植物氣味與昆蟲信息素協同可以增強昆蟲對寄主植物性、聚集、示蹤、報警等昆蟲信息素的反應[41]。馬鈴薯甲蟲會根據馬鈴薯氣味產生寄主定位行為[42]。同時，植物在受到植食性昆蟲的為害后，可產生更多更強的揮發性化合物，進而對天敵產生引誘作用。這已在很多研究中得到證實。如菜豆在受到二斑葉螨的為害后，與未受到為害的菜豆相比，其對捕食螨智利小植綏螨的引誘作用更強[43]。玉米在受到甜菜夜蛾的為害后，其引誘緣腹絨繭蜂的作用也得到加強[44]。馬鈴薯葉受馬鈴薯甲蟲取食后會招致更多的馬鈴薯甲蟲前來取食[43]。

目前，有關儲糧害蟲學習行為的研究較少。本實驗室研究小麥粉揮發物對赤擬谷盜選擇行為的影響發現：在饑餓0 h(對照)和24 h狀態下，赤擬谷盜成蟲對感受氣味源小麥粉的選擇系數隨感受時間的延長呈下降趨勢，說明赤擬谷盜對小麥粉產生習慣性反應；在饑餓6 h狀態下，其對感受氣味源小麥粉的選擇系數隨感受時間的延長呈上升趨勢，符合嗜好性誘導的學習行為。

4 谷物揮發物與儲糧害蟲防治的關系

谷物揮發物的主要作用有：(1)組成谷物不同風味的主要成分；(2)作為判斷糧食質量的依據，檢驗和監測糧食是否受到害蟲侵染；(3)利用谷物揮發性化合物與昆蟲信息素結合成食物引誘劑，通過對害蟲的行為調控，達到防治害蟲的目的[45]。Philips等[46]研究發現不同濃度的新鮮谷物揮發物如戊醛、麥芽醇、香蘭醛對米象均有不同程度的引誘性。一種主要成分為大豆油和小麥胚芽的食品對赤擬谷盜有很強的引誘作用，它們分別混合不同的信息素，對米象和赤擬谷盜都表現出更強的引誘性。某些儲糧的揮發性化合物在吸引或者驅避儲糧害蟲中起重要作用。Freedman等[47]通過Y型嗅覺儀實驗發現燕麥揮發物對鋸谷盜有很強的引誘作用，即使是燕麥殘留氣味對鋸谷盜也有很強的引誘性。Donald等[48]研究發現玉米和小麥種子的揮發物米象對有很強的引誘性，但是天堂椒等揮發物卻對米象有驅避作用。

谷物揮發物對害蟲有很強的引誘或驅避作用，可以利用這一特性研究開發昆蟲引誘劑、驅避劑、拒食劑和產卵抑制劑等對害蟲行為進行調控，從而達到有效防治害蟲的目的。

5 展望

利用谷物揮發物對儲糧昆蟲行為的調控作用，有效進行害蟲防治已成為當前的一個研究熱點。今后需結合我國糧食儲藏實際情況，加強深入研究谷物揮發物成分及其對害蟲行為的影響，并將其科學運用到儲糧害蟲防治實踐當中，為實現綠色儲糧、確保儲糧品質提供理論和技術支持。

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